Caso di studio: Primi passi verso l'industria 4.0 in un piccolo impianto di produzione

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IIoT e Industry 4.0 sono argomenti onnipresenti nelle fiere di settore e nei post del blog di oggi. Molti prodotti promettono di aiutarvi a raggiungere l'integrazione verticale del flusso di produzione e dei dati e del software aziendale come ERP. Ma di solito c'è anche un tranello: o si ottiene prodotti molto complessi con un prezzo altrettanto sconvolgente - o nonostante IIoT promessa di una completa interoperabilità tra i vari fornitori a cui vi rivolgerete bloccato dal fornitoresoprattutto se si considerano le soluzioni software che vengono vendute dai fornitori di macchine di produzione in combinazione con le loro attrezzature.  

Per le aziende più piccole con risorse limitate e dipartimenti IT di piccole dimensioni o di una sola persona, questo è un dilemma. Mentre tali aziende si affidano alla flessibilità per competere con le imprese più grandi e quindi devono adottare paradigmi come l'Industria 4.0, di solito si tratta di un investimento enorme e di un muro di complessità tecnica apparentemente insormontabile.  

In questo caso di studio, vorrei mostrare come Connecting Software Piattaforma di integrazione Connect Bridge aiuta a colmare questa lacuna e fornisce un toolkit facile da usare per iniziare rapidamente a sviluppare un prodotto personalizzato Soluzioni IIoT.  

Il cliente e le sue esigenze

Il cliente è un piccolo fornitore industriale che fornisce principalmente prodotti in lamiera d'acciaio inossidabile con lotti di piccole dimensioni (fino a uno) e un portafoglio prodotti complesso.  

Per poter competere con gli altri produttori in questo settore, la fabbrica ha bisogno di progressi tecnologici e di una costante evoluzione del processo produttivo. Pertanto, il cliente ha iniziato a introdurre la saldatura laser robotizzata nel processo di produziones. Mentre la saldatura laser allo stato solido presenta molti vantaggi, come la minore distorsione, la scarsa o nulla post-produzione di cordoni di saldatura, ecc.  

Un'altra sfida è l'integrazione di una tale soluzione di saldatura robotizzata nella pianificazione della produzione, ottenendo i dati necessari per il calcolo (post) dei costi, il controllo della qualità, ecc.  

Nonostante l'ascesa della robotica collaborativa e quindi la permeazione di tali applicazioni nella produzione, oggi sono per lo più utilizzate per compiti altamente ripetitivi con pochissimi cambiamenti nei prodotti/processi trattati. Pertanto, la scelta di un software di pianificazione della produzione che soddisfi le esigenze del mio cliente è praticamente inesistente, quindi la necessità di una soluzione personalizzata che cresce con il continuo adattamento del processo di saldatura laser nella sua catena di produzione.  

I requisiti in breve: 

  • Acquisizione dati dal sistema di saldatura robotizzata (e dai suoi componenti rispettivamente) per il calcolo (post) dei costi, il controllo qualità, la pianificazione della produzione
  • Integrazione di questi dati nell'ambiente ERP personalizzato del cliente
  • Fornire uno strumento di pianificazione della produzione per la saldatura robotizzata aperto a futuri miglioramenti (ad es. programmazione offline)
  • Soluzione adattabile che cresce con l'azienda
  • Evitare il "vendor lock-in" e mantenere la complessità e le esigenze di manutenzione dell'ecosistema software nel suo complesso il più basso possibile

L'ambiente IT del cliente

Il paesaggio informatico dei clienti è un paesaggio cresciuto in modo naturale e quindi intrinsecamente complesso. Alla sua fondazione, utilizza un sistema ERP legacy che viene esteso da applicazioni web-based PHP personalizzate e interfacce con altri prodotti software (ad esempio CAD, CAM come il software di nesting laser, ...) e sistemi del cliente per lo scambio diretto di dati. Tutto questo in un ambiente server misto Windows/Linux e un pool di clienti quasi esclusivamente basato su Windows in un Active Directory. I servizi di file si basano prevalentemente sulle condivisioni di Windows e (in misura minore) su Dropbox.  

Con una migrazione continua verso Microsoft Windows 10 e Office 365, possono essere interessanti argomenti come l'implementazione di SharePoint o OneDrive nei processi IT dell'azienda.   

In generale, la strategia dei clienti è quella di ridurre la complessità della propria infrastruttura IT cercando di ridurre la quantità di diverse tecnologie utilizzate (stack LAMP, AD, Windows, O365, sistemi legacy, ecc.), aumentando così la gestibilità e riducendo i costi di manutenzione dell'intero ecosistema.

L'ambiente di produzione

I macchinari di produzione hanno di solito un periodo di utilizzo intrinsecamente lungo. Pertanto, non tutte le macchine sono equipaggiate per applicazioni Industry 4.0 o forniscono funzionalità molto limitate in questo settore. Questo documento si concentra quindi esclusivamente sull'applicazione di saldatura robotizzata e sulle sue esigenze di integrazione. 

Il sistema di saldatura è una soluzione "chiavi in mano" di un noto produttore tedesco, composta da una sorgente laser a stato solido, un robot con tavola rotante-ribaltabile, una testa di lavorazione con sistema a telecamera, una cella di protezione necessaria per applicazioni laser ad alta potenza, sistemi di controllo e sistemi ausiliari (aspirazione, raccolta della polvere, raffreddamento).  

I componenti di questo sistema comunicano attraverso una varietà di interconnessioni industriali standard (IO digitali, Profinet, EtherCat, standard ethernet). Secondo le specifiche del fornitore, solo un'interfaccia ethernet standard è esposta verso l'infrastruttura di rete del cliente. Questa interfaccia è collegata al sistema PLC complessivo dei fornitori di macchine e offre solo un accesso molto limitato ai dati delle macchine e al sistema di controllo. Offre un'interfaccia OPC UA con solo pochissimi datapoint (sotto i 10) disponibili. E sono popolati solo se la fabbrica utilizza il software di pianificazione della produzione del fornitore della macchina che gira sul PLC della macchina. Pertanto, questa interfaccia si è dimostrata non troppo utile per il mio cliente. Questa situazione potrebbe cambiare. Tuttavia, poiché questa interfaccia OPC UA esposta è un work-in-progress, probabilmente otterrà caratteristiche più utili con futuri aggiornamenti. 

Ma poiché molti dei sottocomponenti delle macchine utilizzano la rete ethernet standard come metodo di comunicazione, è possibile un maggiore accesso. All'interno delle reti interne delle macchine sono raggiungibili i PLC del robot, la sorgente laser e il sistema di telecamere delle teste di saldatura. Ma senza ulteriori modifiche, non tutti offrono gli strumenti necessari per fornire un facile accesso OPC UA.  

I primi passi

Come primo passo, l'obiettivo era quello di acquisire i dati direttamente dai componenti della macchina.  

Il controllo diretto di questi sistemi tramite il Connect Bridge (CB) non è un obiettivo, in quanto potrebbe potenzialmente violare il principio del singolo punto di controllo necessario per la sicurezza della macchina.  Il CB fornisce un'interfaccia facile da usare per lo standard OPC UA che è sempre più comune nei PLC e nelle macchine di oggi. Mentre questo standard può essere utilizzato per stabilire la comunicazione in tempo reale e quindi sostituire le funzioni attualmente implementate dai sistemi di bus di campo industriali, nel nostro scenario le capacità in tempo reale non sono necessarie. Mentre gli SDK sono disponibili per l'integrazione diretta dello stack OPC UA nell'applicazione del mio cliente, essi sono solitamente complessi e quindi contraddicono l'obiettivo di ridurre la complessità.  

Pertanto, la scelta è caduta sul Connect Bridge con i suoi vantaggi di configurazione facile, SQL senza problemi interfaccia basata non solo su OPC UA, ma anche su altri servizi locali e basati su cloud, e prezzo estremamente competitivo

Frequenza del sondaggio dei dati

In questa fabbrica, la nuova tecnologia sta attraversando il processo di adattamento, quindi il sistema di saldatura robotizzata funziona solo su un singolo turno e la macchina non è costantemente in funzione anche durante le ore di lavoro. Pertanto, i dati acquisiti a questo punto possono essere utili, ma potrebbero anche rivelarsi inaffidabili per un uso futuro o per scopi predittivi. Questo si basa sull'esperienza del cliente con i dati raccolti da altre macchine di produzione, ad esempio le macchine per il taglio laser. Alcuni fattori - se l'operatore della macchina era presente al termine di un ciclo di produzione, quando l'acquisizione dei dati è stata attivata - hanno dimostrato che anche dati apparentemente molto accurati possono dipingere un quadro errato, e che non è sempre necessaria la granularità fine per giudicare l'efficienza del processo di produzione. 

Così, una frequenza di scrutinio piuttosto bassa di 30 secondi è attualmente utilizzato per l'acquisizione dei dati.  

In questo primo passo, il cliente vuole rilevare i dati di questi 3 componenti principali:  

  • la sorgente laser, 
  • il PLC del robot,
  • il sistema di telecamere. 

Tuttavia, in questo momento, solo la sorgente laser può essere collegata, con il PLC del robot e il sistema di telecamere non disponibili per i loro motivi.  

Perché il PLC del robot non può connettersi

Il PLC del robot è accessibile via ethernet ma esegue un'interfaccia OPC legacy. A causa di vincoli software da parte del suo produttore, non può eseguire OPC UA. Un'interfaccia OPC - OPC UA potrebbe essere in grado di salvare questa situazione, ma senza il via libera del costruttore della macchina in termini di compatibilità, l'installazione di tale software non sembrava fattibile. Al momentoil cliente sta sviluppando un work-around: gli I/O digitali del PLC del robot saranno collegati tramite un PC industriale per ottenere informazioni accurate (p.es. quando un processo di produzione è stato avviato o terminato) e per attivare una finestra di acquisizione dati più stretta.  

Perché la telecamera non può collegarsi

Il sistema di telecamere è legato al PLC dell'intera macchina e sembra non essere accessibile ai clienti esterni. Poiché la visione sarebbe utile ai fini del controllo qualità e della documentazione del processo, l'uso di un ulteriore sistema di telecamere esterne è attualmente in fase di valutazione per risolvere questo problema.

OPC UA per la sorgente laser

Questo lascia la sorgente laser. Fortunatamente, questo sistema è dotato di un controllore all'avanguardia che incorpora una sofisticata interfaccia OPC UA con diversi livelli di accesso: accesso anonimo con capacità di lettura limitate, solo lettura, lettura e scrittura. Come già detto, l'accesso in lettura e scrittura era fuori discussione per motivi di sicurezza delle macchine. Pertanto, è stato scelto l'accesso in sola lettura.  

Questa interfaccia offre una pletora di dati:  

  • Stato generale del sistema laser
  • Periodi di funzionamento, potenza utilizzata, ...
  • Messaggi di errore e di manutenzione

Con il CB, il cliente ha sviluppato un servizio Windows in C# per effettuare periodicamente un sondaggio dei dati e compilarli in diverse tabelle di database SQL per un uso futuro. Le tabelle possono fornire informazioni quali dati generali, utilizzo delle apparecchiature, tabelle per la manutenzione/messaggi di errore prodotti dalla sorgente laser.  

Ma come applicare questi dati? 

Una grande domanda: come utilizzare i dati della macchina

La prima preziosa intuizione è il compilazione del messaggio di log della macchinas. L'esperienza del mio cliente in passato è stata che non tutte le macchine conservano i loro file di log attraverso i riavvii. Inoltre, gli operatori delle macchine non sempre segnalano con precisione i malfunzionamenti e gli errori ai loro supervisori. Ciò può comportare tempi di fermo macchina più lunghi del necessario quando si verifica un grave malfunzionamento. Se la macchina era in funzione in questo giorno - è una domanda importante. 

Per un facile accesso da parte della direzione tecnica dell'azienda, tali report giornalieri vengono generati come file PDF e archiviati in una Dropbox condivisa, nel caso in cui sia necessario aprire una chiamata di supporto al fornitore della macchina.  

Naturalmente, questa è attualmente solo un'applicazione molto limitata dell'immensa capacità del CB. I prossimi passi che il cliente sta sviluppando sono:  

  • Collegamento al PLC del robot (tramite IO digitali se non altrimenti possibile) per ottenere una precisa tempistica di avvio/arresto dei cicli di produzione. 

In combinazione con il sistema di timesheet dell'azienda, questo permetterà di capire meglio quanto tempo la macchina è in funzione in realtà in produzione e quanto tempo viene utilizzato per l'apprendimento (programmazione dei robot) e/o il carico/scarico/manutenzione; 

  • Accesso al sistema di telecamere: poiché la saldatura laser è un processo di saldatura diverso, i clienti del mio cliente devono certificare questo metodo di produzione prima di consegnare qualsiasi prodotto reale. Tali processi saranno molto più facilmente realizzabili se la documentazione completa del processo di saldatura può essere consegnata in modo costante e automatico. 

Inoltre, con la prevista riduzione della complessità e dei servizi utilizzati, è imminente il passaggio da Dropbox-Shared a OneDrive, una volta che questo sarà esteso a tutti i clienti interessati. Il cliente è anche interessato ad una possibile analisi dei dati per la manutenzione predittiva. 

Conclusione

Come scritto sopra, questo progetto è in fase di avvio e ancora molto lontano dall'essere una soluzione IIoT pienamente funzionante. Ma con poco sforzo iniziale, un dimostratore utile per il cliente potrebbe essere sviluppato sfruttando il potenti capacità del Connect Bridge. Come sviluppatore, mi ha aiutato ad evitare la necessità di entrare nei dettagli dell'ennesima pila di connessioni (come OPC UA o Dropbox API). E per il mio cliente ha fornito una pila di comunicazione centralizzata per applicazioni future che hanno anche un prezzo molto competitivo rispetto alle soluzioni di altri fornitori che a volte presentano complicate configurazioni di licenze con licenze basate sul numero di dispositivi a cui si accede con il suo strumento e anche sul numero di punti dati acquisiti. 

Abbreviazioni utilizzate

CB - il Connect Bridge piattaforma di integrazione

PLC - Controllore logico programmabile 
Generalmente un sistema computerizzato capace di funzionare in tempo reale con una potenza di elaborazione relativamente bassa (rispetto ai dispositivi PC standard) con interfacce bus di campo industriali e IO digitali usati per controllare i macchinari. 

IIoT - l'Internet industriale delle cose 

OPC UA - OPC Unified Architecture 

CAD - Progettazione assistita da computer 

CAM - Produzione assistita da computer 

Background

Questo caso di studio analizza l'applicazione del protocollo OPC UA per la raccolta di dati aggiornati delle macchine in un piccolo impianto di produzione in Austria. Un Connettore OPC UA costruito sul Piattaforma di integrazione Connect Bridge da Connecting Software è stato utilizzato per inserire i dati delle macchine nelle tabelle dei rapporti per la manutenzione tempestiva delle attrezzature nell'impianto di produzione. La piattaforma di integrazione accetta semplici query SQL Create, Read, Update and Delete (CRUD) attraverso driver standard ODBC, JDBC e Web Services. Queste query sono then translated a standard API calls native al sistema di destinazione. Una serie di connettori pre-costruiti permette di fornire questi dati a sistemi ERP, MES, CRM, DMS, ecc. per un ulteriore sfruttamento. 

Informazioni sull'autore

Richard Majer, Fondatore di flupo Systemtechnik e.U. specializzata in informatica industriale e tecnologia dell'automazione per le PMI. Prima di fondare la propria azienda, Richard ha lavorato in un istituto di ricerca e sviluppo per applicazioni laser ad alta potenza (acquisendo esperienza nella tecnologia laser, nelle simulazioni FEM, nella robotica industriale, nella programmazione di PLC, nei sistemi industriali a bus di campo), e ha più di 10 anni di esperienza nell'IT generale con particolare attenzione allo sviluppo di software in ambienti di PMI (interfacce tra diversi prodotti software, applicazioni di pianificazione della produzione). Possiede Master laurea in matematica all'Università di Vienna 

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